楊 尚，寧建國(guó)，商和福，茹文凱，郝嘉偉

(山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590)

在鄂爾多斯礦區(qū)，煤層普遍埋藏較淺，地質(zhì)條件較好，礦井多采用預(yù)掘回撤通道進(jìn)行“搬家”倒面工作，減少了工作面接替的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)礦井高產(chǎn)高效。工作面末采期間，回撤通道在超前支承壓力影響下，巷道頂板下沉明顯，支護(hù)結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，如出現(xiàn)網(wǎng)兜、錨桿(索)屈服破斷等。為保證回撤安全，對(duì)回撤通道圍巖需加強(qiáng)支護(hù)，保證工作面回撤安全[1-5]。

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)回撤通道圍巖支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)已取得眾多成果。例如，杜善周[6]等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，確定回撤通道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)參數(shù)，提出補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案。也有不少學(xué)者[7-11]采用離散元和有限差分方法等數(shù)值分析方法，對(duì)回撤通道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。侯殿坤[12]等通過(guò)理論分析、支護(hù)設(shè)計(jì)及工程試驗(yàn)，提出工作面動(dòng)壓影響下回撤巷道圍巖體“錨桿+錨索+雙層金屬網(wǎng)+底板噴混凝土”的聯(lián)合支護(hù)方案。上述研究結(jié)果，對(duì)淺埋煤層綜采工作面回撤通道頂板穩(wěn)定性控制具有一定的借鑒意義，但是從理論模型入手，定量確定頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)參數(shù)的研究較少。為此，本文以高家梁煤礦20117工作面回撤通道為工程背景，采用理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，建立回撤通道錨固梁結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，確定錨固梁承受的最大拉應(yīng)力，提出巷道合理補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)參數(shù)；最后進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，該研究為類似的支護(hù)工程問(wèn)題提供科學(xué)有效的技術(shù)參考。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

20117工作面位于高家梁煤礦201盤區(qū)2-2上煤層，工作面采用傾斜長(zhǎng)壁后退式全部垮落綜合機(jī)械化采煤法，平均埋深136m，傾斜長(zhǎng)894.5m，走向長(zhǎng)300.5m，煤層傾角0°～3°，平均厚度4.84m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單賦存穩(wěn)定，煤層直接頂為厚度3.3～5.6m的砂巖，其單軸抗壓強(qiáng)度平均為35.2MPa，基本頂為9.0～24.8m的中粒砂巖，單軸抗壓強(qiáng)度平均為45.6MPa。工作面回撤通道為矩形斷面，寬4800mm，高3700mm，總長(zhǎng)度為300.5m，沿煤層傾向布置，沿煤層頂板掘進(jìn)，回撤通道外為保護(hù)煤柱及2-2上回風(fēng)大巷，工作面左側(cè)煤層受沖刷影響為不可采區(qū)域，右側(cè)為已回采結(jié)束的20118工作面，20117工作面及巷道布置如圖1所示，煤層頂?shù)装逄卣魅鐖D2所示。

圖1 20117工作面及巷道布置圖

圖2 煤層頂?shù)装逄卣?/p>

1.2 巷道原支護(hù)方案

原支護(hù)方案是指20117回撤通道設(shè)計(jì)時(shí)的支護(hù)方案。頂板采用“錨桿(索)+網(wǎng)+鋼帶”支護(hù)，頂板錨桿采用Φ20mm×2200mm的右旋螺紋鋼錨桿，間排距1000mm×800mm，有效長(zhǎng)度為1600mm；鋼帶長(zhǎng)4500mm，采用Φ12mm圓鋼加工；錨索采用Φ15.24mm×8000mm鋼絞線，間排距2400mm×2400mm，有效長(zhǎng)度為6000mm。兩幫采用“錨桿+網(wǎng)+鋼帶”支護(hù)，錨桿間排距900mm×800mm，工作面?zhèn)炔捎忙?0mm×1800mm玻璃鋼錨桿，煤柱側(cè)采用Φ20mm×2000mm螺紋鋼錨桿，鋼帶長(zhǎng)3440mm，采用Φ12mm圓鋼加工，巷道原支護(hù)方案支護(hù)斷面如圖3所示。

圖3 原支護(hù)方案斷面圖(mm)

2 回撤通道錨固梁結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

2.1 原支護(hù)方案錨固梁結(jié)構(gòu)力學(xué)模型分析

綜采工作面末采期間，隨著工作面持續(xù)回采，超前支承壓力不斷前移，回撤通道頂板壓力不斷增大。分析表明，當(dāng)超前支承壓力峰值前移至回撤通道頂板中心時(shí)，頂板支護(hù)結(jié)構(gòu)受載最大，頂板支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的機(jī)率最大，回撤通道圍巖結(jié)構(gòu)如圖4所示。為分析回撤通道頂板結(jié)構(gòu)在原支護(hù)方案下的穩(wěn)定性，故結(jié)合錨固梁理論[13，14]，建立回撤通道錨固梁結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，如圖5所示，圖中錨固梁的厚度為h，為頂錨索的有效長(zhǎng)度；跨度為b，為巷道的寬度；頂板巖梁結(jié)構(gòu)受超前支承壓力峰值為KγH，K為應(yīng)力集中系數(shù)，取2～3，作用于巷道寬度中點(diǎn)；頂板錨桿、錨索對(duì)頂板支護(hù)力簡(jiǎn)化為均布載荷q1；兩端的約束力為RO和RA，根據(jù)工程力學(xué)，為方便分析將頂板巖梁結(jié)構(gòu)受超前支承壓力峰值KγH簡(jiǎn)化為線性分布。

圖4 回撤通道圍巖結(jié)構(gòu)圖

圖5 回撤通道錨固梁結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

在考慮安全保障、提高安全系數(shù)的情況下，假設(shè)回撤通道頂板巖梁結(jié)構(gòu)均受超前支承壓力峰值KγH作用，并將超前支承壓力峰值KγH簡(jiǎn)化為均布載荷q進(jìn)行回撤通道錨固梁結(jié)構(gòu)受力分析，如圖6所示。

圖6 回撤通道錨固梁結(jié)構(gòu)受力分析示意圖

根據(jù)力學(xué)平衡條件，有：

∑Fy=0

(1)

∑Mo=0

(2)

可得：

(3)

最大彎矩位于巷道頂板中間即x=b/2處，最大彎矩為：

(4)

原支護(hù)方案錨固梁承受的最大拉應(yīng)力為：

(5)

式中，W為錨固梁的抗彎載面系數(shù)，m3；b為巷道的寬度，m；h為錨固梁的厚度，取頂錨索的有效長(zhǎng)度，m；q為頂板巖梁所受的平均載荷，MPa，其中，q=KγH，K為應(yīng)力集中系數(shù)，取2.5，γ為覆巖平均容重，取24kN/m3；q1為錨桿、錨索對(duì)直接頂巖梁的均布載荷，MPa，其中，q1=(np頂桿+mp頂索)/(b×1)，p頂桿為頂錨桿工作載荷，N；p頂索為頂錨索工作載荷，N，n為單位面積上的錨桿根數(shù)；m為單位面積上的錨索根數(shù)；σmax1為原支護(hù)方案錨固梁承受的最大拉應(yīng)力，Pa。

對(duì)于20117回撤通道，巷道寬b為4.8m，頂錨索的有效長(zhǎng)度h為6m；頂板受覆巖的作用力均布載荷q為8.16MPa，原支護(hù)方案錨桿、錨索對(duì)直接頂巖梁的均布載荷q1為0.18MPa，(錨索工作載荷P取極限抗拉強(qiáng)度230kN的70%，約為170kN，錨桿工作載荷P取極限抗拉強(qiáng)度150kN的70%，約為107kN)，將上述參數(shù)代入式(5)可得原支護(hù)方案錨固梁承受的最大拉應(yīng)力為3.83MPa。

為研究20117工作面回撤通道加錨巖層的抗拉強(qiáng)度，選用20117工作面頂板巖石作為加錨基體，選用相同力學(xué)性能的鋼絲模擬錨桿、錨索，進(jìn)行室內(nèi)巴西劈裂試驗(yàn)[15]，試驗(yàn)結(jié)果可知20117工作面回撤通道頂板加錨巖層允許抗拉強(qiáng)度為3.52MPa。原支護(hù)方案錨固梁實(shí)際承受的最大拉應(yīng)力大于回撤通道頂板加錨巖層允許抗拉強(qiáng)度，原支護(hù)方案不能有效的對(duì)回撤通道圍巖進(jìn)行支護(hù)，需對(duì)回撤通道進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

2.2 強(qiáng)支護(hù)方案及補(bǔ)強(qiáng)后錨固梁結(jié)構(gòu)力學(xué)模型分析

在工作面推進(jìn)過(guò)程中，回撤通道頂板受采動(dòng)影響，破壞范圍向深處擴(kuò)展。根據(jù)相鄰已采20118工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，回撤通道頂板破壞范圍已發(fā)育至錨桿錨固端，破壞了錨固結(jié)構(gòu)，弱化了錨桿支護(hù)作用。為此，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案是在原有支護(hù)的基礎(chǔ)上，頂板補(bǔ)打錨索，巷道內(nèi)架設(shè)垛式支架。補(bǔ)打錨索以提高支護(hù)強(qiáng)度，并與鋼帶共同作用起到護(hù)表的作用，減少網(wǎng)兜現(xiàn)象的發(fā)生，保證了錨固梁的完整性。此外，錨索將下部軟弱巖層與深部基巖緊緊錨固在一起，抑制離層發(fā)生，錨固范圍內(nèi)巖層整體承載，共同變形?；爻吠ǖ纼?nèi)架設(shè)兩排垛式支架，不僅加強(qiáng)回撤通道內(nèi)的支護(hù)強(qiáng)度，也可以抵消一部分超前支承壓力對(duì)巷道頂板巖層的作用力。結(jié)合高家梁煤礦20117工作面開(kāi)采條件，設(shè)計(jì)以下頂板補(bǔ)強(qiáng)方案：頂板補(bǔ)打4根錨索，錨索采用Φ15.24mm×8000mm鋼絞線，間排距為1200mm×1600mm，有效長(zhǎng)度為6000mm，并使用W鋼帶；在巷道內(nèi)安設(shè)兩排垛式支架，工作阻力為10000kN。兩幫與原支護(hù)方案相同。加固支護(hù)方案巷道支護(hù)斷面如圖7所示。

圖7 加固支護(hù)方案(mm)

為驗(yàn)證補(bǔ)強(qiáng)后的支護(hù)方案是否能夠有效控制回撤通道頂板變形破壞，以2.1節(jié)建立的巷道錨固梁結(jié)構(gòu)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建補(bǔ)強(qiáng)后回撤通道錨固梁結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，如圖8所示，原方案錨桿、錨索對(duì)直接頂巖梁的均布載荷與補(bǔ)強(qiáng)后頂板錨索對(duì)頂板支護(hù)力簡(jiǎn)化為均布載荷之和為q2；垛式支架支撐力為q3，兩端約束力為RO和RB。

圖8 補(bǔ)強(qiáng)后回撤通道錨固梁結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

圖9 補(bǔ)強(qiáng)后回撤通道錨固梁結(jié)構(gòu)力學(xué)分析示意圖

補(bǔ)強(qiáng)后回撤通道錨固梁結(jié)構(gòu)力學(xué)分析如圖9所示，根據(jù)式(1)、式(2)可得：

(6)

可見(jiàn)，最大彎矩位于巷道頂板中間即x=b/2處，求得最大彎矩為：

(7)

補(bǔ)強(qiáng)后錨固梁承受的最大拉應(yīng)力為：

(8)

式中，q2為原方案錨桿、錨索對(duì)直接頂巖梁的均布載荷與補(bǔ)強(qiáng)后頂板錨索對(duì)頂板支護(hù)力簡(jiǎn)化為均布載荷之和，MPa；q3為垛式支架所受的平均載荷，MPa；a為垛式支架中心到巷道幫部的距離，m；c為垛式支架的寬度，m；σmax2為補(bǔ)強(qiáng)后錨固梁承受的最大拉應(yīng)力，Pa。

對(duì)于20117回撤通道補(bǔ)強(qiáng)之后，垛式支架來(lái)壓時(shí)的工作阻力q3為1.06MPa，垛式支架寬度c為1.5m，垛式支架中心到巷道幫部的距離a為0.6m，原方案錨桿、錨索對(duì)直接頂巖梁的均布載荷與補(bǔ)打的錨索對(duì)直接頂巖梁的均布載荷之和q2為0.32MPa。將上述參數(shù)代入式(8)得，補(bǔ)強(qiáng)后錨固梁承受最大拉應(yīng)力為3.30MPa，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案錨固梁實(shí)際承受的最大拉應(yīng)力小于回撤通道頂板加錨巖層允許抗拉強(qiáng)度，可以有效的對(duì)回撤通道圍巖進(jìn)行支護(hù)。

3 工程應(yīng)用

根據(jù)20117工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用補(bǔ)強(qiáng)方案對(duì)回撤通道進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。為實(shí)時(shí)掌握回撤通道的變形情況，在回撤通道內(nèi)設(shè)置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)間隔60m，工作面距回撤通道50m時(shí)采用十字布點(diǎn)法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，詳細(xì)測(cè)點(diǎn)布置如圖10所示。

圖10 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

為更加直觀地詳細(xì)了解回撤通道頂板補(bǔ)強(qiáng)后的效果，將20117工作面回撤通道頂?shù)装逡平勘O(jiān)測(cè)結(jié)果與相鄰已采20118工作面回撤通道頂?shù)装逡平勘O(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖11、圖12所示。由圖11、圖12可知，20118工作面回撤通道頂板采用原支護(hù)方案，頂板最大下沉量為750mm，20117工作面在采取補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，頂板最大下沉量為445mm，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案減少頂板下沉量305mm，頂板下沉率降低40.6%。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，回撤巷道頂?shù)装逡平枯^小，巷道相對(duì)比較穩(wěn)定，優(yōu)化后的錨(網(wǎng))索、垛式支架聯(lián)合支護(hù)方式對(duì)圍巖起到了加固與強(qiáng)化作用，很好地控制了圍巖變形，為工作面的安全回撤提供了安全保障。

圖11 20117工作面回撤通道頂?shù)装逡平?/p>

圖12 20118工作面回撤通道頂?shù)装逡平?/p>

4 結(jié) 論

1)建立回撤通道錨固梁結(jié)構(gòu)力學(xué)模型和補(bǔ)強(qiáng)后回撤通道錨固梁結(jié)構(gòu)力學(xué)模型并進(jìn)行分析，通過(guò)分析結(jié)果可知，原支護(hù)方案錨固梁實(shí)際承受的最大拉應(yīng)力大于回撤通道頂板加錨巖層允許抗拉強(qiáng)度，原支護(hù)方案不能有效的對(duì)回撤通道圍巖進(jìn)行支護(hù)；補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案錨固梁實(shí)際承受的最大拉應(yīng)力小于回撤通道頂板加錨巖層允許抗拉強(qiáng)度，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案能有效地起到圍巖控制作用。

2)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案是在原有支護(hù)的基礎(chǔ)上，頂板補(bǔ)打錨索，巷道內(nèi)架設(shè)垛式支架。補(bǔ)打錨索以提高支護(hù)強(qiáng)度，并與鋼帶共同作用起到護(hù)表的作用，減少網(wǎng)兜現(xiàn)象的發(fā)生，保證了錨固梁的完整性，錨索將下部軟弱巖層與深部基巖緊緊錨固在一起，抑制離層發(fā)生，錨固范圍內(nèi)巖層整體承載共同變形，垛式支架加強(qiáng)回撤通道內(nèi)的支護(hù)強(qiáng)度，抵消一部分超前支承壓力對(duì)巷道頂板巖層的作用力。

3)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析表明，20117回撤巷道頂?shù)装逡平枯^小，巷道相對(duì)比較穩(wěn)定，優(yōu)化后的錨(網(wǎng))索、垛式支架聯(lián)合支護(hù)方式對(duì)圍巖起到了加固與強(qiáng)化作用，很好地控制了圍巖變形。